Международный проект по халькогенидным тонкопленочным солнечным батареям П

Международный проект по халькогенидным тонкопленочным солнечным батареям П. П. Гладышев, С. В. Филин, В. Ф. Гременок, Г. С. Хрипунов, В. Б. Залесский, Е. К. Белоногов, В. М. Иевлев, М. Б. Дергачева Дубна 2010 3/19/2018 1

Организации-соисполнители • Международный Университет «Дубна» , Россия, г. Дубна • ЦВН НИИ прикладной акустики, Россия, г. Дубна, • ООО «НТИЦ "Нанотех-Дубна", Россия, г. Дубна • Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению» , Беларусь, г. Mинск • Институт Физики НАН Беларуси, Беларусь, г. Mинск • Харьковский политехнический институт» , Украина, г. Харьков • Воронежский государственный, Россия, г. Воронеж • Институт органического катализа и электрохимии, Казахстан, г. Алма-Ата

Почему халькогенидные ФЭП? • Тонкопленочные халькогенидные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на основе Cd. Te и CIGSпозволяют получать до 100 Вт электрической мощности с квадратного метра в средних широтах. • Преимуществом этих ФЭП является возможность создания лёгких и гибких элементов на основе полимерных пленок и металлических фольг и связанная с этим высокая удельная мощность по весу 2, 5 к. Вт/кг.

Халькогенидные материалы имеют оптимальную ширину запрещенной зоны, хорошо поглощают свет и обладают высокой радиационной стойкостью

Все это позволяет формировать эффективные тонкослойные структуры с низкими затратами полупроводниковых материалов ↨ 5μк Substrate структура Superstrate структура

Технические характеристики ФЭП Тип ФЭП Si [1] Si монокрис аморф Ga. As [1] трехкаск CIS [2] CIGS Cd. Te[3] Максимальный теоретический КПД, % 35 35 42 28 28 29 (34) КПД лабораторных образцов, % 20 12, 1 31 17 19, 9 12 -14 КПД промышленных образцов (2009), % 14 -16, 5 7 -10 26, 8 13, 4 10, 7 Удельная мощность, к. Вт/кг 0, 13 0, 2 2, 0 2, 5 1, 2 1. http: //www. saturn. kuban. ru/2. html 2. Hamakawa, «Thin-Film Solar Cells: Next Generation Photovoltaics and Its Applications» , 2004 3. KHRYPUNOV G. , ROMEO A. , KURDESAU F. , BÄTZNER D. L. , ZOGG H. , TIWARI A. N. , «Recent developments in evaporated Cd. Te solar cells» , 2006

Время возмещения энергетических затрат на производство ФЭП Технология производства Время возмещения энергетических затрат1, годы Энергия, затраченная на производство, к объему производства энергии 2, % Кремний монокристаллический 10. 0 Кремний неленточный мультикристаллическ ий • 2. 7 2. 2 8. 1 Кремний ленточный мультикристаллическ 1. 7 6. 3 ий По данным статьи В. Фтенакиса (V. Fthenakis) и Е. Альсема (E. Alsema) «Время возмещения 1. энергетических затрат фотоэлектрических систем, выбросы парников газов и внешние издержки: состояние на 2004 -начало Теллурид кадмия 2005» , Прогресс в фотоэлектрике, том 14, № 3, параграфы 275 -280, 2006 г. • 2. 30 -летний период эксплуатации с максимальной расчетной мощностью на конец срока эксплуатации 80%. • Инсоляция - 1700 к. Втч/м 2 в год; коэффициент эффективности системы – 75% 1. 0 3. 7

Рост доли производства тонкопленочных модулей в МВт.

Основные технологии тонкопленочных солнечных элементов

Технологии • Для формирования активных слоев данных ФЭП чаще всего используют вакуумные методы, однако в ряде случаев «мокрые» технологии имеют существенные преимущества.

Развиваемые авторами технологии • Термическое напыление и сублимация в вакууме для формирования тонкопленочных солнечных элементов ITO/Cd. S/Cd. Te/Cu/Au на стеклянных и полиимидных подложках. • Ионно-лучевое напыление для формирования прозрачного электропроводного слоя Sn. O 2 на подложках. • Магнетронное распыление для нанесения слоев ITO, Cd. S, Cd. Te и металлических слоев заднего контакта. • Ионно-плазменное напыление для нанесения металлических прекурсоров (Cu-In-Ga). • Селенизация металлических предшественников в технологии CIGS. • Метод химического осаждения в ванне слоя Cd. S в различных конструкциях ФЭП. • Метод пульверизации для формирования слоёв Sn. O 2: F и Cd. Te. • Метод электроосаждения позволяющий получить пленки полупроводников большой площади на стеклоуглеродном и молибденовом электродах.

Стадии изготовления Cd. Te ФЭП

Структура слоя Cd. Te Структура зерен Cd. Te до и после Cd. Cl 2 обработки

Cd. Te гибкие солнечные батареии

Достигнутые показатели • Лучшая эффективность для гибких Cd. Te ФЭП на полиимидных пленках была достигнута с использованием вакуумных методов. Лабораторные образцы гибких Cd. S/Cd. Te ФЭП на полиимидных пленках имеют эффективностью 11, 4%, КПД гибких микромодулей составляет 5, 4%.

Стадии изготовления CIGS ФЭП

Гибкие CIGS солнечные элементы (%) = 5. 5 – 6. 0 %

SEM пленки CIGS на Mo фольге cross-section image of a different parts of film with and without Mo. Se 2 sublayer

Достигнутые показатели • Лучшая эффективность лабораторных образцов CIGS ФЭП достигает 11%. Ожидается, что оптимизация процессов позволит создать устойчивые технологии производства солнечных ячеек Cu(In, Ga)Se 2 с эффективностью выше 15% на стеклянных и 10 -12% на металлических подложках.

Преимущества гибких халькогенидных ФЭП • • • Низкая цена при массовом производстве Простота реализации технология “roll to roll” открывает перспективы промышленного производства Значительное уменьшение расхода полупроводниковых материалов ввиду малой активных слоев ( от нескольких десятков нм до нескольких микрон) Тонкая легкая гибкая подложка вместо стеклянной подложки, которая составляет свыше 98% от полного веса обычных солнечных батарей Исключительная радиационная стойкость по сравнению Si и Ga. AS ФЭП открывает хорошие перспективы для использования в космосе

Повышение эффективности за счет люминесцентной конверсии

ЛФ ФЭП Cd. Te/Cd. S + ЛФ Спектральный отклик ФЭП с люминесцентным фильтром и без него внешний квантовый выход ФЭП Cd. Te/Cd. S

Организации-соисполнители • Международный Университет «Дубна» , Россия, г. Дубна • ЦВН НИИ прикладной акустики, Россия, г. Дубна, • ООО «НТИЦ "Нанотех-Дубна", Россия, г. Дубна • Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению» , Беларусь, г. Mинск • Институт Физики НАН Беларуси, Беларусь, г. Mинск • Харьковский политехнический институт» , Украина, г. Харьков • Воронежский государственный, Россия, г. Воронеж • Институт органического катализа и электрохимии, Казахстан, г. Алма-Ата

Спасибо за внимание !